基于无线局域网的分布式测试系统实时性及时钟同步研究

论文摘要

基于无线局域网(Wireless Local Area Networks,WLAN)的分布式测试系统的实时性和时钟同步是当前分布式测试系统研究的热点课题。无线分布式测试系统数据传输的实时性是系统性能的重要指标,保持数据传输的可靠性,减少数据传输的延时是很多无线分布式应用系统的基本要求。时钟同步是无线分布式测试系统的核心技术之一,时钟同步的实现将使得各个分布式测试终端能够实现自主的数据采集,减少测试总线的控制信息传输,显著的提高测试的效率和精度。论文的主要研究工作及成果如下:(1)基于无线局域网的分布式测试系统的实时性研究。论文提出了基于WLAN的分布式测试系统模型,分析了影响分布式系统实时通讯的性能指标。针对系统实时性的要求建立了网络仿真场景,研究了无线分布式测试系统的不同MAC层接入机制的在数据流量递增的情况下实时性通讯的具体性能变化,并且研究了不同的物理层对系统的实时性能和丢包率的影响,为基于无线局域网的分布式测试系统设计提供了参考数据。(2)基于IEEE802.11 DCF(Distributed Coordination Function)的无线分布式测试系统实时性研究。DCF是无线局域网最常用的媒介接入机制,论文分析了IEEE802.11的DCF基本接入机制和RTS/CTS(Require To Send /Clear To Send)机制以及分片机制的工作原理。针对不同的MAC(Media Access Control)层接入机制分析了影响分布式系统性能的指标,研究了不同MAC层接入机制的无线分布式测试系统的实时性。论文在改进的MARKOV模型基础上,引入了Z变换,分析了IEEE802.11的DCF机制MAC延时性能,研究了从非饱和到饱和信道状态的延时性能。通过MATLAB数值分析和OPNET10.0网络仿真,基于MARKOV模型的MAC延时分析能够和网络仿真的MAC延时很好的吻合,验证了分析模型的在预测媒介接入延时方面的有效性,为进一步的系统设计提供了理论依据。(3)基于IEEE1588的无线分布式系统时钟同步应用问题研究。论文分析了IEEE1588网络拓扑的选择及域的划分对PTP(Precision Time Protocol)时钟同步的影响,提出了在无线分布式测试系统中应用IEEE1588协议的两种典型网络拓扑,研究了不同无线分布式网络拓扑下以及不同调度机制下PTP时钟同步精度,通过引入偏移估计和斜率补偿提高了无线分布式测试系统中PTP时钟同步的精度。研究结果对IEEE1588在无线分布式测试系统中的应用有重要的参考价值。(4)SPTP(Simplified Precision Time Protocol)时钟同步机制的研究。针对PTP时钟同步过程在无线分布式网络中应用面临问题,提出了一种新的无线分布式测试系统SPTP时钟同步机制。SPTP吸收了PTP同步机制的优势,同时又利用了RBS和PBS算法的优点。通过仿真比较了SPTP与PTP时钟同步精度差异,指出了SPTP时钟同步机制在无线分布式测试系统中的显著应用优势。(5)MBBS(Management and Boundary Broadcast Synchronization)时钟同步机制研究。针对无线分布式网络时钟同步中误差及信息的数目随层数增长过快的问题,提出了基于管理和边界时钟广播的MBBS时钟同步算法,详细介绍了MBBS的思想来源以及实现步骤。MBBS算法与PBS算法相比,虽然在每轮同步中增加一条同步信息,但是同步的从时钟数目增加了一层。实验结果表明,在多层网络拓扑下,MBBS减少了全局时钟同步所需的信息数目,提高了网络时钟同步的精度。MBBS算法的提出对无线分布式测试系统的时钟同步精度的提高有着重要的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 无线分布式测试系统实时性研究现状
• 1.3 无线分布式测试系统时钟同步研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 本文研究工作的侧重点
• 1.4 本文研究内容及创新
• 1.5 本文的结构安排
• 第二章 基于无线局域网（WLAN）的分布式测试系统实时性研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于WLAN 的分布式测试系统模型
• 2.2.1 WLAN 概述
• 2.2.2 WLAN 拓扑结构
• 2.2.3 WLAN 分布式扩展
• 2.2.4 IEEE802.11 媒介访问控制层（MAC）
• 2.2.5 IEEE802.11 物理层（PHY）
• 2.2.6 有线分布式测试系统结构
• 2.2.7 无线分布式测试系统结构
• 2.3 基于WLAN 的分布式测试系统实时性指标分析
• 2.4 基于WLAN 的分布式测试系统实时性建模及仿真研究
• 2.4.1 MAC 层对分布式测试系统的实时性影响
• 2.4.2 PHY 层对分布式测试系统的实时性影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于IEEE802.11 DCF 的分布式测试系统实时性研究
• 3.1 引言
• 3.2 DCF 接入机制简介
• 3.2.1 DCF 的BASIC 接入机制
• 3.2.2 DCF 的RTS/CTS 接入机制
• 3.2.3 DCF 的FRAGMENT 接入机制
• 3.3 基于802.11 DCF 的无线分布式测试系统实时性仿真
• 3.4 基于MARKOV 模型的DCF 延时研究
• 3.4.1 MARKOV 理论基础
• 3.4.2 DCF 的MARKOV 模型分析
• 3.4.3 MAC 延时Z 变换分析
• 3.4.4 实验分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于TRUETIME 的无线分布式测试系统时钟同步建模
• 4.1 引言
• 4.2 时钟同步的要素
• 4.2.1 时钟的数学模型
• 4.2.2 本地时钟模型
• 4.3 时钟同步调节机制
• 4.4 基于TRUETIME 的无线分布式系统时钟同步建模
• 4.4.1 TRUETIME 简介
• 4.4.2 基于TRUETIME 的时钟同步建模
• 4.5 仿真建模
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于IEEE1588 的无线分布式测试系统时钟同步研究
• 5.1 引言
• 5.2 IEEE1588 概述
• 5.2.1 时钟节点的规定
• 5.2.2 网络拓扑的选择
• 5.2.3 域的划分与扩展
• 5.2.4 PTP 时钟同步协议
• 5.3 无线分布式测试系统中IEEE1588 的应用分析
• 5.3.1 网络拓扑的影响
• 5.3.2 域划分对同步的影响
• 5.3.3 同步过程的影响
• 5.3.4 同步网络层数的影响
• 5.4 无线分布式测试系统PTP 时钟同步
• 5.4.1 无线网络分布式测试系统网络拓扑
• 5.4.2 PTP 时钟调节方式的改进
• 5.4.3 PTP 实验分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 无线分布式测试系统SPTP、MBBS 时钟同步研究
• 6.1 引言
• 6.2 典型时钟同步机制概述
• 6.2.1 PTP 同步机制
• 6.2.2 RBS 同步机制
• 6.2.3 PBS 同步机制
• 6.3 无线分布式测试系统SPTP 时钟同步机制
• 6.3.1 时钟类型规定
• 6.3.2 网络拓扑的选择
• 6.3.3 SPTP 时钟同步
• 6.3.4 SPTP 实验分析
• 6.4 无线分布式网络MBBS 时钟同步
• 6.4.1 网络拓扑的选择
• 6.4.2 MBBS 时钟同步
• 6.4.3 MBBS 实验分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 进一步的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果